(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
イオンビームを加速して出射するシンクロトロンと、前記シンクロトロンから出射された前記イオンビームを照射する照射装置とを有し、前記照射装置から一単位の照射を複数回行う粒子線照射システムにおいて、
前記シンクロトロン内の蓄積ビーム電荷量を計測する蓄積ビーム電荷量計測手段と、
前記シンクロトロンから出射する目標ビーム電流値を設定する目標電流設定手段と、
前記複数回の照射に必要な総照射電荷量を受信する受信手段と、
累積照射電荷量を計算する出射用制御装置と、
一単位の照射に必要な電荷量を算出する照射制御装置を有し、
前記目標電流設定手段は、
前記総照射電荷量から前記累積照射電荷量を差し引いた残照射電荷量と前記蓄積ビーム電荷量のうち少ない方を比較電荷量とした場合に、前記比較電荷量と前記一単位の照射に必要な電荷量を整数倍した値とを比較して前記目標ビーム電流値の補正の要否を判定して目標ビーム電流値を設定することを特徴とする粒子線照射システム。
【請求項２】
請求項１の粒子線照射システムにおいて、
前記照射制御装置は、一単位の照射に必要なビーム電流値を算出し、
前記目標電流設定手段は、前記比較電荷量が前記一単位の照射に必要な電荷量よりも少ない場合に、前記目標ビーム電流値を前記一単位の照射に必要なビーム電流値よりも小さくなるように補正することを特徴とする粒子線照射システム。
【請求項３】
請求項２の粒子線照射システムにおいて、
前記目標ビーム電流値は、前記一単位の照射に必要なビーム電流値を、前記一単位の照射に必要な電荷量に対する前記比較電荷量の割合で補正したものであることを特徴とする粒子線照射システム。
【請求項４】
請求項２又は３の粒子線照射システムにおいて、
前記目標電流設定手段は、前記比較電荷量が前記一単位の照射に必要な電荷量の２倍よりも少ない場合に、前記目標ビーム電流値を前記一単位の照射に必要なビーム電流値よりも大きくなるように補正することを特徴とする粒子線照射システム。
【請求項５】
請求項１の粒子線照射システムにおいて、
前記照射制御装置は、一単位の照射に必要なビーム電流値を算出し、
前記目標電流設定手段は、前記比較電荷量が前記一単位の照射に必要な電荷量の２倍よりも少ない場合に、前記目標ビーム電流値を前記一単位の照射に必要なビーム電流値よりも大きくなるように補正することを特徴とする粒子線照射システム。
【請求項６】
請求項４又は５の粒子線照射システムにおいて、
前記目標ビーム電流値が、前記蓄積ビーム電荷量を一単位の照射に必要な走査時間で除算したものであることを特徴とする粒子線照射システム。
【請求項７】
請求項１乃至６のいずれか１項の粒子線照射システムにおいて、
前記シンクロトロンから前記目標ビーム電流値でイオンビームを出射するように制御する出射ビーム電流設定制御手段を備えることを特徴とする粒子線照射システム。
【請求項８】
イオンビームを加速して出射するシンクロトロンと、前記シンクロトロンから出射された前記イオンビームを照射する照射装置とを有し、前記照射装置から一単位の照射を複数回行う粒子線照射システムのビーム補正方法において、
出射用制御装置が累積照射電荷量を計算し、
照射制御装置が一単位の照射に必要なビーム電荷量を算出し、
蓄積ビーム電荷量計測手段が前記シンクロトロン内の蓄積ビーム電荷量を計測し、
目標電流設定手段が、前記複数回の照射に必要な総照射電荷量から前記累積照射電荷量を差し引いた残照射電荷量と前記蓄積ビーム電荷量のうち少ない方を比較電荷量とした場合に、前記比較電荷量と前記一単位の照射に必要な電荷量を整数倍した値とを比較して目標ビーム電流値の補正の要否を判定して前記シンクロトロンから出射する目標ビーム電流値を設定することを特徴とする粒子線照射システムのビーム補正方法。
【請求項９】
請求項８の粒子線照射システムのビーム補正方法において、
前記照射制御装置は、一単位の照射に必要なビーム電流値を算出し、
前記目標電流設定手段は、前記比較電荷量が前記一単位の照射に必要な電荷量よりも少ない場合に、前記目標ビーム電流値を前記一単位の照射に必要なビーム電流値よりも小さくなるように補正することを特徴とする粒子線照射システムのビーム補正方法。
【請求項１０】
請求項９の粒子線照射システムのビーム補正方法において、
前記目標ビーム電流値は、前記一単位の照射に必要なビーム電流値を、前記一単位の照射に必要な電荷量に対する前記比較電荷量の割合で補正したものであることを特徴とする粒子線照射システムのビーム補正方法。
【請求項１１】
請求項９又は１０の粒子線照射システムのビーム補正方法において、
前記目標電流設定手段は、前記比較電荷量が前記一単位の照射に必要な電荷量の２倍よりも少ない場合に、前記目標ビーム電流値を前記一単位の照射に必要なビーム電流値よりも大きくなるように補正することを特徴とする粒子線照射システムのビーム補正方法。
【請求項１２】
請求項８の粒子線照射システムのビーム補正方法において、
前記照射制御装置は、一単位の照射に必要なビーム電流値を算出し、
前記目標電流設定手段は、前記比較電荷量が前記一単位の照射に必要な電荷量の２倍よりも少ない場合に、前記目標ビーム電流値を前記一単位の照射に必要なビーム電流値よりも大きくなるように補正することを特徴とする粒子線照射システムのビーム補正方法。
【請求項１３】
請求項１１又は１２の粒子線照射システムのビーム補正方法において、
前記目標ビーム電流値が、前記蓄積ビーム電荷量を一単位の照射に必要な走査時間で除算したものであることを特徴とする粒子線照射システムのビーム補正方法。
【請求項１４】
請求項８乃至１３のいずれか１項の粒子線照射システムのビーム補正方法において、
前記シンクロトロンから前記目標ビーム電流値でイオンビームを出射するように制御する出射ビーム電流設定制御手段を備えることを特徴とする粒子線照射システムのビーム補正方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、粒子線照射システム及び荷電粒子ビームの補正方法に係り、特に、陽子または重イオンなどの荷電粒子ビーム（イオンビーム）を患部に照射してがんを治療する粒子線治療装置に適応するのに好適な粒子線照射システム及び荷電粒子ビーム出射方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
がんの放射線治療として、陽子や重イオン等のイオンビームを患者のがんの患部に照射して治療する粒子線治療が知られている。イオンビームの照射法として、特許文献１〜３、非特許文献１、２に開示されているような、均一走査照射法がある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特許第２５９６２９２号公報
【特許文献２】特開２００９−２８５００号公報
【特許文献３】特許第４１５８９３１号公報
【特許文献４】特開２０１０−２３８４６３号公報
【特許文献５】特許第４６９１５８３号公報
【非特許文献】
【０００４】
【非特許文献１】メディカル  フィジックス  ３６巻８号（２００９年８月）の第３５６０〜３５６７頁（MEDICAL PHYSICS VOLUME 36 NUMBER 8 (AUGUST 2009) P3560-3567）
【非特許文献２】レビュー  オブ  サイエンティフィック  インスツルメンツ  ６４巻８号（１９９３年８月）の第２０７４〜２０９３頁（REVIEW OF SCIENTIFIC INSTRUMENTS VOLUME 64 NUMBER 8 (AUGUST 1993) P2074-2093）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
均一走査照射法では、照射線量の一様度を保つためには、所定の領域の一単位の照射の途中でビームを枯渇させないようにする必要がある。一方で、シンクロトロンに蓄積されるイオンビームの電荷量は一定ではなく、前段加速器から供給されるイオンビームの電流変動に応じて変動する。
【０００６】
蓄積電荷量が一単位の照射分に満たない場合、そのまま照射すると途中でビームが枯渇してしまい、照射線量一様度が低下する。逆に一単位の照射分に満たない蓄積ビームを利用しなければ、ビーム利用効率の点で不利である。
【０００７】
本発明の目的は、照射線量一様度を低下させずにビーム利用効率を高めることのできる粒子線照射システムを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
イオンビームを加速して出射するシンクロトロンと、前記シンクロトロンから出射された前記イオンビームを照射する照射装置とを有し、前記照射装置から一単位の照射を複数回行う粒子線照射システムにおいて、前記シンクロトロン内の蓄積ビーム電荷量（Ｑｍｅａｓ）を計測する蓄積ビーム電荷量計測手段と、前記蓄積ビーム電荷量計測手段で計測した蓄積ビーム電荷量（Ｑｍｅａｓ）に基づき、前記シンクロトロンから出射する目標ビーム電流値（Ｉｆｂ）を設定する目標電流設定手段と、前記目標電流設定手段より求められた出射ビーム電流の目標値（Ｉｆｂ）に基づきビーム電流を制御する出射ビーム電流補正制御手段を備えることを特徴とする粒子線照射システム。
【発明の効果】
【０００９】
本発明によれば、照射線量一様度を低下させずにビーム利用効率を高めることのできる粒子線照射システムを提供できる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】本発明の実施例である粒子線照射システムの構成を示す。
【図２】本発明の実施例であるシンクロトロンの運転サイクルにおける周回ビームのエネルギーの変化と蓄積ビーム電荷量の変化を示す。
【図３】本発明の実施例である照射装置の構成を示す。
【図４】本発明の実施例である均一走査照射法でのビームの走査経路を示す。
【図５】本発明の実施例である照射制御開始前の制御準備フローを示す。
【図６】本発明の実施例であるビーム照射制御時のフローを示す。
【図７】本発明の実施例であるビーム照射制御フローによるビーム照射制御時の目標ビーム電流値とそれに伴う蓄積ビーム電荷量の時間変化を示す。
【図８】本発明の実施例である出射ビーム電流に対するフィードバック制御システムの構成を示す。
【図９】本発明の実施例である繰り上げ照射制御を追加したビームの照射制御フローを示す。
【図１０】本発明の実施例である繰り上げ照射制御を追加したビームの照射制御フローによるビーム照射制御時の目標ビーム電流値とそれに伴う蓄積ビーム電荷量の時間変化を示す。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
粒子線治療に用いる粒子線照射装置は、イオンビーム発生装置、ビーム輸送系、及び照射装置を備える。イオンビーム発生装置は、周回軌道に沿って周回するイオンビームを所望のエネルギーまで加速させるシンクロトロンやサイクロトロンを有する。
【００１２】
シンクロトロンは、周回軌道に沿って周回するイオンビームに高周波電圧を印加して目標のエネルギーまで加速する高周波加速装置（加速空胴）、周回しているイオンビームのベータトロン振動振幅を増大させる出射用高周波電極、及びイオンビームを周回軌道から取り出す出射用デフレクターを備える（例えば、特許文献１）。目標エネルギーまで加速されたイオンビームをシンクロトロンからビーム輸送系へ出射する際、出射用高周波電極に高周波磁場または高周波電場（以下、高周波信号と表記）を印加し、周回しているイオンビームの固有振動であるベータトロン振動振幅を増大させる。ベータトロン振動振幅が増大したイオンビームは、安定限界外に移動し、シンクロトロンからビーム輸送系へ出射され、照射装置に輸送される。
【００１３】
照射装置は、上記イオンビーム発生装置から導かれたイオンビームを、患者の体表面からの深さ及び患部形状に合わせて整形して、治療用ベッド上の患者の患部に照射する。照射法として均一走査照射法（非特許文献１の３５６１頁、図１）がある。
【００１４】
均一走査照射法は、走査電磁石でイオンビームを照射平面上に走査するため、二種類の散乱体で照射面全域にビームを広げる二重散乱体照射システムよりもエネルギー損失が少ないため、二重散乱体照射法よりもイオンビームの飛程が長くできる特徴がある。
【００１５】
均一走査照射装置は、ビームを照射平面上に走査する二つの走査電磁石（水平走査電磁石、垂直走査電磁石）と、走査電磁石で走査されたイオンビームを患部の深さ方向厚みに合わせた吸収線量範囲（拡大ブラックピーク（Spread-Out Bragg Peak）以下、ＳＯＢＰと表記）を形成するエネルギー吸収体と、患部形状に合わせて照射野を形成するボーラスとコリメータで構成される。均一走査照射装置では、ＳＯＢＰを形成するエネルギー吸収体にリッジフィルタ（非特許文献２の２０７８頁、図３１）を用いる。リッジフィルタはイオンビームが通過する領域の厚みが異なる楔型形状のエネルギー吸収体を平面上に複数個配置した構造体であり、リッジフィルタを通過したビームは、リッジフィルタの通過部の厚みに応じてエネルギーが減衰される。このエネルギーが減衰したイオンビームの重ね合わせにより、ＳＯＢＰを形成する。
【００１６】
均一走査照射法では、非特許文献２にも記載の通り、ビーム電流値を低く抑えた上でイオンビームを照射平面上で多数回の繰り返し照射（以下、リペイント）をすることで所定の線量一様度を達成する。そのため、ビーム電流値を一定値で制御することにより、照射平面上での線量一様度の悪化を抑制できるため、リペイント回数を減らせて線量率を向上できる。
【００１７】
また、均一走査照射法でのビームの走査方法について図４を用いて説明する。均一走査照射法には、単円ワブラー法（例えば特許文献２に記載）、螺旋ワブラー法（例えば特許文献３に記載）、ラスター走査法（非特許文献１の３５６４頁、図７）および、ライン走査法が考えられている。単円ワブラー法は、図４（ａ）に記載のように、走査電磁石によって照射ビームを単円走査することにより、走査したビームのガウス分布の重ね合わせにより平坦な一様度を形成する。螺旋ワブラー法（図示せず）は、単円ワブラー法よりも飛程を確保した上でビーム利用効率を向上させるために考案された走査法であり、初期位相を変化させた走査軌跡を重畳することで照射平面上を走査する。ラスター走査法は先に示したワブラー法と異なり、図４（ｂ）に記載のように、ビームを直線的に連続して走査する方法である。またライン走査法は、図４（ｃ）に記載のように、ラスター走査法では照射していた短走査方向への走査中にはビームの照射を停止し、実効的なビームの利用効率を高める方法である。
【００１８】
ここで、一単位の照射に必要なビーム走査について説明する。まず、一単位の照射に必要なビーム走査の範囲と言った場合は、走査開始点から終了点まで走査した軌跡とする。図４に示したとおり、単円ワブラー法および、螺旋ワブラー法（図示せず）は、走査開始点と終了点が同一点となる。また、ラスター走査法およびライン走査法は、走査開始点と終了点が異なる。これら一単位の照射に必要な走査時間は、一走査あたり数十ミリ秒〜１００ミリ秒であるため、シンクロトロンの出射制御時間（約０．５秒〜数秒）に対して充分短い。
【００１９】
次に各文献の記載を用いながら検討が必要な事項について説明する。均一走査照射法では、照射線量の一様度を保つためには、出射制御中に所定の領域を照射完了するまで、ビームを枯渇させることなく照射することが望まれる。非特許文献１では、イオンビーム発生装置としてサイクロトロンを採用している。サイクロトロンの場合、照射装置に供給するイオンビームは直流ビームとなる。しかし、イオンビーム発生装置にシンクロトロンを採用する際、シンクロトロンの運転周期に合わせてシンクロトロン内に蓄積したイオンビームを照射装置に供給する。そのため、出射制御を継続することでシンクロトロンに蓄積したイオンビームが枯渇するおそれがある。そのため、シンクロトロンの蓄積ビームが枯渇した際、出射制御を停止するとともに走査電磁石のビーム走査制御を停止した後、再び次の運転周期からイオンビームの蓄積と出射制御および走査電磁石のビーム走査制御を継続する必要がある。
【００２０】
この蓄積ビーム電荷量の枯渇に伴うビーム照射の停止が生じた場合でも線量一様度に影響しないよう、シンクロトロンから照射装置に供給するイオンビームの電流値は低く設定し、１００回程度のリペイントを実施することで、ビーム照射停止位置での線量一様度の悪化を抑制していた（非特許文献１の３５６２頁に記載）。そのため、所定の線量を照射するのに時間が掛かるため、治療時間が長くなってしまう課題があった。
【００２１】
また、シンクロトロンから供給するイオンビームの時間変動を抑制する手段として、出射ビーム電流フィードバック制御が考案されている。出射ビーム電流フィードバック制御は、照射装置に設けられた線量モニタ等で検出された電離電荷量をイオンビームの電流値に変換し、この検出電流値と目標電流値の偏差を出射用高周波電圧の振幅値を補正することで所望のビーム電流値に補正する。均一走査照射法に出射ビーム電流フィードバック制御を適用する際、目標ビーム電流値は一定値で制御する。しかし、シンクロトロンに蓄積されるイオンビームの電荷量は、シンクロトロンの前段加速器から供給されるイオンビームの電流変動に起因して変動することが分かっている。そのため、出射ビーム電流フィードバック制御を実施する際、一単位の照射に必要な時間と出射ビームの目標電流値の積で示される出射ビーム電荷量に対して、シンクロトロンに蓄積されるイオンビーム電荷量が減少すると、蓄積ビーム電荷量の枯渇に伴い、出射ビーム電流フィードバック制御をしているにも関わらず、出射制御後半のビーム電流波形に欠けが生じてしまい、線量一様度が悪化する恐れがあった。
【００２２】
特許文献４では、出射制御中のビーム枯渇を抑制する対策として、シンクロトロンからビームを出射制御後に蓄積ビーム電荷量を計測し、蓄積ビーム電荷量が一単位の照射に必要な電荷量に満たない場合、減速制御に遷移する旨が記載されている。このような制御を実施することで、一単位の照射中にビームの枯渇は生じないが、シンクロトロンに蓄積しているビーム電荷量の利用効率が低くなるという課題があった。
【００２３】
また、特許文献５では、出射制御前に蓄積ビーム電荷量を計測し、出射ビーム電流フィードバック制御の目標値を補正する旨が記載されている。フィードバック制御の目標値の補正に当たり、予めシンクロトロンを周回するイオンビームの蓄積電荷量の標準値を設定し、シンクロトロンの出射制御直前に計測した蓄積ビーム電荷量と蓄積電荷量の標準値との比較結果に基づき出射ビーム電流値を補正する旨が記載されている。特許文献５では、蓄積したイオンビーム電荷量を一度の出射制御で効率良く出射することを前提としているため、均一走査照射法のように照射装置に供給するイオンビームの電流値を低く設定し、複数回に分けて走査し照射する照射方法は想定されていない。
【００２４】
以下に説明する本発明の各実施例では、シンクロトロン内の蓄積ビーム電荷量に変動が生じても一単位の照射中にビーム枯渇を生じさせず、かつ照射線量の平坦度を担保することができる。また、シンクロトロン内の蓄積ビーム電荷量を効率良く利用することで、所定の線量の照射に必要な時間を短縮し、治療時間を短くすることができる。
【００２５】
なお、以下に説明する各実施例は、照射装置から一単位の照射を複数回行う均一走査照射法に関するものである。一単位の照射を複数回行う、すなわちリペイントするとは、典型的には、ある照射平面への一面の照射を複数回繰り返すことを意味する。各実施例では均一走査照射法における「一面の照射」を「一単位の照射」と表現しているが、これは特許文献５のようにシンクロトロンに蓄積したイオンビームの一面への照射を一回だけ行うものとの違いを明確にするためである。
【実施例１】
【００２６】
本発明の好適な一実施例である粒子線照射システムを、図１及び図２及び図３を用いて説明する。本実施例の粒子線照射システム１は、図１に示すように、イオンビーム発生装置１１、ビーム輸送装置１４、照射野形成装置（荷電粒子ビーム照射装置、以下、照射装置という）３０を備え、ビーム輸送装置１４が、イオンビーム発生装置１１と治療室内に配置される照射装置３０を連絡する。
【００２７】
上記粒子線照射システム１の制御システムは、イオンビーム発生装置１１およびビーム輸送装置１４を制御する加速器制御装置４０、粒子線照射システム１全体を統括して制御する統括制御装置４１、患者へのビーム照射条件を計画する治療計画装置４３、治療計画装置４３で計画した情報やイオンビーム発生装置であるシンクロトロン１３およびビーム輸送装置１４の制御情報等を記憶する記憶装置４２、シンクロトロン１３を構成する機器の同期制御を実現するタイミングシステム５０、患者の安全を担保するために統括制御装置４１とは独立のインターロックシステム６０から構成される。また、出射用制御装置２０により、イオンビーム発生装置１１からビーム輸送装置１４へのビームを出射する際に利用する高周波電圧を制御する。
【００２８】
イオンビーム発生装置１１は、イオン源（図示せず）、前段加速器１２及びシンクロトロン１３を備える。イオン源は前段加速器１２に接続され、前段加速器１２はシンクロトロン１３に接続される。前段加速器１２は、イオン源で発生したイオンビーム１０をシンクロトロン１３に入射可能なエネルギーまで加速する。前段加速器１２で加速されたイオンビーム１０ａは、シンクロトロン１３に入射される。
【００２９】
図２（ａ）にシンクロトロン１３の運転サイクルにおける周回ビームのエネルギーの変化を、図２（ｂ）に蓄積ビーム電荷量の変化を示す。シンクロトロン１３は、入射、加速、出射、減速という一連の運転制御を２秒〜３秒周期で実施する。また、出射制御に当たっては、事前に出射準備制御を実施する。
【００３０】
シンクロトロン１３に入射されたビーム１０ｂは、加速空胴（図示せず）に印加した高周波電圧によりエネルギーを付与されることで、所望のエネルギーまで加速する。この際、シンクロトロン１３内を周回するイオンビーム１０ｂの周回軌道が一定となるように、イオンビーム１０ｂの周回エネルギーの増加に合わせて偏向電磁石１８、四極電磁石（図示せず）等の磁場強度および、加速空胴に印加する高周波電圧の周波数を高める。
【００３１】
所望のエネルギーまで加速したイオンビーム１０ｂは、出射準備制御により、四極電磁石および六極電磁石（図示せず）の励磁量により周回ビーム１０ｂが出射可能な条件（周回ビームの安定限界条件）を成立させる。出射準備制御が終了後、出射用制御装置２０から出射用高周波電極１６に高周波電圧を印加し、シンクロトロン１３内を周回するビーム１０ｂのベータトロン振動振幅を増大させる。このベータトロン振動振幅の増大により、安定限界条件を超えた周回ビーム１０ｂはシンクロトロン１３からビーム輸送装置１４に出射され、照射装置３０に輸送される。シンクロトロン１３からのビーム出射制御は、出射用制御装置２０によって出射用高周波電極１６に印加する高周波電圧のＯＮ／ＯＦＦ制御することで高速に実現可能である。
【００３２】
シンクロトロン１３内の蓄積ビーム電荷量７０は、シンクロトロン１３の運転シーケンス（図２（ａ））に合わせて、図２（ｂ）に示すように変化する。シンクロトロン１３にイオンビーム１０ａが入射されると、蓄積ビーム電荷量は徐々に高められる。加速制御の初期には空間電荷効果等によってイオンビームが損失されるため、蓄積ビーム電荷量が減衰するが、加速中期から加速後期まではほぼ一定となる。シンクロトロン１３は、イオンビーム１０ｂをシンクロトロン１３から一単位の照射に必要な電荷量（Ｑｓｃａｎ）毎に出射する。一単位の照射が終了すると、後述する照射装置３０の走査電磁石３２の照射開始点への移動等の準備のため、ビームの出射を停止する。このようなビームの出射と停止を繰り返し、出射制御区間に出射しきれずにシンクロトロン１３内に残存したビーム電荷量（Ｑｌｏｓｓ）は、その後の減速制御により、低いエネルギーまで減速されて消滅する。
【００３３】
図３に照射装置の構成を示す。照射装置３０では、走査電磁石３２で照射平面上を走査し、患者に照射するビーム１０ｄの照射線量を計測する線量モニタ３１やビーム形状モニタ（図示せず）にて、照射するビーム１０ｄの線量強度やビーム形状を逐次確認する。走査電磁石３２で走査されたビーム１０ｄは、エネルギー吸収体３３を通過することで患部深さ方向の厚みに合わせたＳＯＢＰを形成する。ＳＯＢＰが形成されたビームをコリメータ３４やボーラス３５といった、患者３６の患部形状３７に合わせた固有治具にて患部形状に合わせた照射野を形成する。
【００３４】
出射用制御装置２０における出射用高周波電圧の制御法について図８を用いて説明する。高周波発振器２１は、エネルギーに応じて制御される出射用高周波電圧の中心周波数Ｆｃの高周波信号を出力する。高周波発振器２１から出力された高周波信号は、帯域制限高周波信号発生部２２より出力された帯域制限高周波信号と高周波ミキサ２２１でミキシングされる。これにより、中心周波数がＦｃ、周波数幅２Ｆｗの帯域制限高周波信号が得られる。ミキシングされた帯域制限高周波信号は、目標ビーム電流補正演算部２９で得られたビーム電流強度波形（ビーム電流強度の目標値）を実現するように、ビーム電流フィードバック制御回路２４にて高周波電圧の振幅値を制御する。ビーム電流フィードバック制御回路２４は、振幅変調器２３と、フィードバックループゲイン調整器２４１、フィードバックループゲイン調整器２４２、加算演算回路２４３、高周波スイッチ２５から構成される。まず、線量モニタ３１で検出した線量モニタ検出信号３１１と目標ビーム電流補正演算部２９から設定される目標ビーム電流値（Ｉｆｂ）の偏差をフィードバックループゲイン調整器２４１にて演算する。この演算結果をフィードバックループゲイン調整器２４１でフィードバックゲインに基づいてフィードバック補正信号を演算する。加算演算回路２４３で振幅変調信号（Ａｍ）とフィードバック補正信号を加算することで、振幅変調信号を補正する。この加算結果を振幅変調器２３に設定することにより、ビーム電流フィードバック制御を実現する。
【００３５】
ビーム電流フィードバック制御回路２４で振幅値を制御された高周波信号は、インターロックシステム６０により制御される高周波スイッチ２６を介して高周波電力増幅器１７に伝送する。高周波電力増幅器１７で増幅された帯域制限高周波信号は、出射用高周波電極１６に印加する。出射用高周波電極１６に印加された高周波信号により、シンクロトロン１３内を周回するビーム１０ｂのベータトロン振動振幅が増大され、シンクロトロン１３からビーム輸送装置１４に出射される。
【００３６】
本実施例の特徴である、出射用制御装置２０を構成する目標ビーム電流補正演算部２９での目標ビーム電流の演算処理方法について、図５、図６、図７および図８を用いて説明する。図５は照射制御開始前の制御準備フローを示しており、図６はビーム照射制御時のフローを示している。図７は、図６に示したビーム照射時の制御フローによるビーム照射制御時の目標ビーム電流値とそれに伴う蓄積ビーム電荷量の時間変化を示している。図８は出射ビーム電流に対するフィードバック制御システムの構成を示している。
【００３７】
照射前の出射ビーム電流フィードバック制御に用いる目標ビーム電流値の演算設定フローについて、図５を用いて説明する。まず、患者への照射治療を開始する前に、出射ビーム電流フィードバック制御に用いる目標ビーム電流値（Ｉｆｂ）の初期値の設定方法を説明する。治療計画装置４３は、患者４７の患者３６への総照射線量を算出し、記憶装置４２に登録する。記憶装置４２には、予め照射線量に対する照射電荷量の換算テーブルデータを用意しておく。統括制御装置４１は、治療スケジューラ（図示せず）からの照射条件に基づき、治療計画装置４３で演算した総照射線量を読み込み、治療計画装置４３が要求した総照射線量を得るのに必要な総照射電荷量（Ｑｔａｒｇｅｔ）を統括制御装置４１に予め用意してある換算テーブルデータから算出する。統括制御装置４１は、照射制御装置４４に対して総照射電荷量を（Ｑｔａｒｇｅｔ）や照射装置の設定条件を伝送し、照射制御装置は受信手段にて総照射電荷量（Ｑｔａｒｇｅｔ）等の情報を受信する。
【００３８】
照射制御装置４４は、シンクロトロンで出射可能なビーム電流制御範囲に基づき、一単位の照射での基準ビーム電流値（Ｉｓｃａｎ）を算出し、走査電磁石３２の走査速度に基づき、一単位の照射に必要な走査時間（Ｔｓｃａｎ）を設定する（８０１）。
【００３９】
次に、一単位の照射に必要な電荷量（Ｑｓｃａｎ）と、リペイント回数（Ｎｒ）を算出する（８０２）。一単位の照射に必要な電荷量（Ｑｓｃａｎ）は、（式１）に示すように、一単位の照射での基準ビーム電流値（Ｉｓｃａｎ）と一単位の照射に必要な走査時間（Ｔｓｃａｎ）を乗ずることで求められる。また、リペイント回数（Ｎｒ）は、（式２）に示すように、総照射電荷量を（Ｑｔａｒｇｅｔ）を一単位の照射に必要な電荷量（Ｑｓｃａｎ）で割ることで算出できる。
【００４０】
【数１】
0005816518.tif 000002
【００４１】
【数２】
0005816518.tif 000003
【００４２】
照射領域への残照射電荷量（Ｑｒｅｓｔ）に総照射電荷量（Ｑｔａｒｇｅｔ）を設定することで初期化する（８０３）。残照射電荷量（Ｑｒｅｓｔ）とは、総照射電荷量（Ｑｔａｒｇｅｔ）から患部に照射した電荷量の累積値（累積照射電荷量（Ｑｓｕｍ））を差し引いたものである。また、累積照射電荷量（Ｑｓｕｍ）に０を設定することで初期化する（８０４）。
【００４３】
出射ビーム電流フィードバック制御の目標ビーム電流値（Ｉｆｂ）の初期値として、一単位の照射での基準ビーム電流値（Ｉｓｃａｎ）を出射用制御装置２０に設定する（８０５）。上記の制御フロー（８０１〜８０５）は、照射制御装置４４で実施する。なお、図５に示した照射準備制御は、患者への照射開始時の運転周期でのみ実施し、二回目以降の運転周期では実施しない。
【００４４】
ビームの照射制御フローについて、図６を用いて説明する。シンクロトロン１３は、前段加速器１２から入射したビームを所定のエネルギーまで加速する（８１１）。ビーム加速制御が終了後、シンクロトロン内に蓄積されている蓄積ビーム電荷量（Ｑｍｅａｓ）を計測する（８１２）。蓄積ビーム電荷量（Ｑｍｅａｓ）の計測は、シンクロトロン１３内に設けてあるＤＣＣＴ等の蓄積ビーム電荷量検出手段１５を用いて計測する。蓄積ビーム電荷量（Ｑｍｅａｓ）の計測結果は、出射制御装置２０に取り込み、出射制御装置２０を構成する目標ビーム電流補正演算部２９にて、以下の制御フローに示した処理を実施する。
【００４５】
目標ビーム電流補正演算部２９では、まずシンクロトロン１３内の蓄積ビーム電荷量（Ｑｍｅａｓ）が枯渇しているか判断する（８１３）。蓄積ビーム電荷量が枯渇していた場合（Ｑｍｅａｓ≦０）、ビームの減速制御に移行する（８１４）。
【００４６】
蓄積ビーム電荷量が枯渇していなければ（Ｑｍｅａｓ＞０）、残照射電荷量（Ｑｒｅｓｔ）と蓄積ビーム電荷量（Ｑｍｅａｓ）を比較し、比較電荷量（Ｑｃｏｍｐ）に設定する電荷量を決定する（８１５）。比較電荷量（Ｑｃｏｍｐ）とは、後述する一単位の照射での基準ビーム電流値（Ｉｓｃａｎ）の補正制御時の基準となる電荷量である。蓄積ビーム電荷量（Ｑｍｅａｓ）に対して残照射電荷量（Ｑｒｅｓｔ）が多い場合は、比較電荷量（Ｑｃｏｍｐ）に蓄積ビーム電荷量（Ｑｍｅａｓ）を設定し（８１６）、蓄積ビーム電荷量（Ｑｍｅａｓ）に対して残照射電荷量（Ｑｒｅｓｔ）が少ない場合は、比較電荷量（Ｑｃｏｍｐ）に残照射電荷量（Ｑｒｅｓｔ）を設定する（８１７）。すなわち残照射電荷量（Ｑｒｅｓｔ）と蓄積ビーム電荷量（Ｑｍｅａｓ）のうち少ない方を比較電荷量（Ｑｃｏｍｐ）  としている。
【００４７】
次に、比較電荷量（Ｑｃｏｍｐ）と一単位の照射に必要な電荷量（Ｑｓｃａｎ）を比較する（８１８）。比較電荷量（Ｑｃｏｍｐ）が一単位の照射に必要な電荷量（Ｑｓｃａｎ）よりも多い場合（Ｑｃｏｍｐ≧Ｑｓｃａｎ）は、出射ビーム電流フィードバック制御の目標値となる、目標ビーム電流値（Ｉｆｂ）の補正は実施しない（８１９）。また、比較電荷量（Ｑｃｏｍｐ）が一単位の照射に必要な電荷量（Ｑｓｃａｎ）よりも少ない場合（Ｑｃｏｍｐ＜Ｑｓｃａｎ）は、目標ビーム電流値（Ｉｆｂ）を一単位の照射での基準ビーム電流値（Ｉｓｃａｎ）よりも小さくなるように補正する（８２０）。
【００４８】
このように目標電流設定手段である目標ビーム電流補正演算部２９が一単位の照射での基準ビーム電流値（Ｉｓｃａｎ）を基にビーム電流の目標値（Ｉｆｂ）を補正により決定することで、前段加速器に起因するビーム電流の変動分を、補正により適切に調整した制御が可能となる。本実施例では、一単位の照射を実施する前に、一単位の照射に必要な電荷量がシンクロトロン内に蓄積されているかを逐次確認し、シンクロトロン内の蓄積ビーム電荷量が少ない場合は、出射ビーム電流値を補正して制御することで一単位照射中のビーム枯渇を抑制することで照射線量一様度を担保している。
【００４９】
目標ビーム電流値（Ｉｆｂ）は、（式３）に示すように、一単位の照射での基準ビーム電流値（Ｉｓｃａｎ）を一単位の照射に必要な電荷量（Ｑｓｃａｎ）に対する比較電荷量（Ｑｃｏｍｐ）の割合で補正することで得られる。
【００５０】
【数３】
0005816518.tif 000004
【００５１】
このように、目標電流設定手段である目標ビーム電流補正演算部２９による目標ビーム電流の目標値（Ｉｆｂ）の決定に比較電荷量（Ｑｃｏｍｐ）が利用される。これにより一面を照射中にビーム枯渇を生じさせずにビーム利用効率を高めるよう、ビーム電流を適切に設定することができる。シンクロトロン内の蓄積ビーム電荷量を効率良く利用することで、所定の線量の照射に必要な時間を短縮し、治療時間を短くすることができる。一単位の照射中にビーム枯渇が抑制できると、一単位の照射時のビーム電流値を高めてリペイント回数を削減することができるため、所定の線量の照射に必要な時間を短縮し、治療時間を短くすることができる。
【００５２】
上記の目標ビーム電流値（Ｉｆｂ）に基づき、出射用制御装置２０の一部であるビーム電流フィードバック制御回路２４にて、出射ビーム電流フィードバック制御を実施し、シンクロトロン１３から照射装置３０へのビーム出射制御を実施する（８２１）。一単位の照射が終了したら、累積照射電荷量（Ｑｓｕｍ）に照射した電荷量を加算する（８２２）。この際、累積照射電荷量（Ｑｓｕｍ）は、（式４）に示したように、目標ビーム電流値（Ｉｆｂ）と一単位の走査時間（Ｔｓｃａｎ）を乗じたものを累積照射電荷量（Ｑｓｕｍ）へ加算することで求められる。これと合わせて、残照射電荷量（Ｑｒｅｓｔ）を更新する（８２３）。残照射電荷量（Ｑｒｅｓｔ）は、（式５）に示したように、総照射電荷量（Ｑｔａｒｇｅｔ）から累積照射電荷量（Ｑｓｕｍ）を減算することで求められる。
【００５３】
【数４】
0005816518.tif 000005
【００５４】
【数５】
0005816518.tif 000006
【００５５】
最後に、累積照射電荷量（Ｑｓｕｍ）と総照射電荷量（Ｑｔａｒｇｅｔ）を比較する（８２４）。累積照射電荷量（Ｑｓｕｍ）が総照射電荷量（Ｑｔａｒｇｅｔ）に到達したら（Ｑｓｕｍ≧Ｑｔａｒｇｅｔ）ビーム照射制御を終了し、累積照射電荷量（Ｑｓｕｍ）が総照射電荷量（Ｑｔａｒｇｅｔ）に到達していない場合（Ｑｓｕｍ＜Ｑｔａｒｇｅｔ）は、制御フロー（８１２）に戻り、ビーム照射制御を継続する。
【００５６】
ここで、本実施例の特徴でもある、制御フロー（８１５）に示した残照射電荷量（Ｑｒｅｓｔ）と蓄積ビーム電荷量（Ｑｍｅａｓ）の比較理由について以下に説明する。
【００５７】
まず、シンクロトロンの出射制御時間（Ｔｅｘｔ）の後半になると、蓄積ビーム電荷量（Ｑｍｅａｓ）が一単位の照射に必要な電荷量（Ｑｓｃａｎ）よりも少なくなる。一単位の照射に必要な電荷量（Ｑｓｃａｎ）よりも蓄積ビーム電荷量（Ｑｍｅａｓ）が少ない状態で出射制御を継続すると、一単位の照射を完了する前にビームが枯渇してしまい、照射領域内の線量一様度が悪化してしまう。そのため、従来は一単位を照射する際のビーム電流値を低くし、リペイント回数（Ｎｒ）を充分多く取ることで、ビーム枯渇時に生じる線量一様度の不均一の影響を小さくしていた。そのため、線量率が高められず、治療時間が掛かっていた。
【００５８】
また、ビーム照射制御の終盤になると、残照射電荷量（Ｑｒｅｓｔ）が小さくなる。つまり、必要な照射線量を満足する総照射線量（Ｑｔａｒｇｅｔ）に近づいてくる。この状態では、一単位の照射に必要な電荷量（Ｑｓｃａｎ）に近づき、照射制御の経過により残照射電荷量（Ｑｒｅｓｔ）が一単位の照射に必要な電荷量（Ｑｓｃａｎ）よりも小さくなる。従来の技術では、特許文献４に示されるように、蓄積ビーム電荷量（Ｑｍｅａｓ）が一単位の照射に必要な電荷量（Ｑｓｃａｎ）よりも小さくなった場合には、減速制御に移行するため、一単位の照射に必要な電荷量（Ｑｓｃａｎ）よりも少ない蓄積ビーム電荷量（Ｑｍｅａｓ）は照射に利用せずに減速してしまうため、ビーム利用効率を高められなかった。
【００５９】
これら二つの状況に応じて、出射ビーム電流フィードバック制御時の目標ビーム電流値（Ｉｆｂ）の補正を実施する際（８２０）、残照射電荷量（Ｑｒｅｓｔ）と蓄積ビーム電荷量（Ｑｍｅａｓ）のいずれか小さい方を比較電荷量（Ｑｃｏｍｐ）として補正することで、線量一様度を満足しつつ、ビーム利用効率の向上に伴い線量率を向上できるため、治療時間を短縮できる。
【００６０】
ビーム照射時の制御フローによるビーム照射制御時の目標ビーム電流値とそれに伴う蓄積ビーム電荷量の時間変化について、図７を用いて説明する。本実施例では、出射制御時間（Ｔｅｘｔ）内に蓄積ビーム電荷量（Ｑｍｅａｓ）を５回計測し出射制御する場合を示しており、残照射電荷量（Ｑｒｅｓｔ）は充分多い場合を想定している。
【００６１】
シンクロトロン１３の加速制御を終了後、蓄積ビーム電荷量確認信号５０１（図７（ｂ））に基づき、蓄積ビーム電荷量（図７（ａ））をシンクロトロン１３内に設置してある蓄積ビーム電荷量検出手段１５にて計測する。この際、蓄積ビーム電荷量はＱｍｅａｓ１である。蓄積ビーム電荷量は一単位の照射に必要な電荷量（Ｑｓｃａｎ）よりも多いので、比較電荷量（Ｑｃｏｍｐ）はＱｍｅａｓ１とし、目標ビーム電流値（Ｉｆｂ）の補正は実施しない。よって、目標ビーム電流値（図７（ｃ））は初期設定値である一単位の照射での基準ビーム電流値（Ｉｓｃａｎ）とする。
【００６２】
ビーム出射制御信号（図７（ｄ））に基づき、出射ビーム電流フィードバック制御に基づいた出射制御を開始する。その結果、照射装置３０には、一定電流のビーム１０ｄが供給され、線量モニタ３１での検出信号より換算したビーム電流値（Ｉｄｏｓｅ）が確認される（図７（ｅ））。一単位の走査時間（Ｔｓｃａｎ）でのビーム照射が終了後、ビーム出射制御を停止し、蓄積ビーム電荷量を計測する。本実施例では、同様にビーム計測から出射制御までを３回（Ｑｍｅａｓ２〜４）繰り返している。
【００６３】
５回目の蓄積ビーム電荷量の確認信号に基づき、蓄積ビーム電荷量（Ｑｍｅａｓ）を計測する。この際の蓄積ビーム電荷量はＱｍｅａｓ５であり、一単位の照射に必要な電荷量（Ｑｓｃａｎ）よりも少ないため、比較電荷量（Ｑｃｏｍｐ）はＱｍｅａｓ５とし、目標ビーム電流値（Ｉｆｂ）の補正が必要である。そのため、目標ビーム電流値（Ｉｆｂ）の補正は、（式３）に基づき実施することで、目標ビーム電流値（Ｉｆｂ）は、一単位の照射での基準ビーム電流値（Ｉｓｃａｎ）よりも低く設定する。この目標ビーム電流値（Ｉｆｂ）に基づき出射ビーム電流フィードバック制御による出射制御を実施することで、線量モニタ検出信号より換算されるビーム電流値（Ｉｄｏｓｅ）が照射される。
【００６４】
次に、本実施例を適用した粒子線照射装置の運転方法について、図８を用いて説明する。医師は、患者情報（患部の位置及び大きさ、ビームの照射方向、及び最大照射深さ）を治療計画装置４３に入力する。治療計画装置４３は、治療計画ソフトを用い、入力された患者情報に基づいて、治療に必要なＳＯＢＰ幅、照射野サイズ及び患部に対する目標線量等を算出する。
【００６５】
治療計画装置４３で算出した結果は、記憶装置４２に記録される。統括制御装置４１は、治療スケジューラ（図示せず）からの照射条件に基づき、照射制御装置４４に対して総照射電荷量（Ｑｔａｒｇｅｔ）や照射条件を伝送する。照射制御装置４４は、照射装置を構成する機器の設定条件を選定し、これと合わせて、出射制御装置２０に対して総照射電荷量（Ｑｔａｒｇｅｔ）や一単位の照射での基準ビーム電流値（Ｉｓｃａｎ）、一単位の照射に必要な走査時間（Ｔｓｃａｎ）、一単位の照射に必要な電荷量（Ｑｓｃａｎ）、リペイント回数（Ｎｒ）等を伝送する。本実施例の特徴である、一単位の照射に必要な電荷量（Ｑｓｃａｎ）の演算等は、治療計画装置４３からの情報に基づいて照射制御装置４４で実施する。
【００６６】
治療計画情報は、治療の準備を行っている治療室の制御室内に配置された表示装置（図示せず）に表示される。放射線技師は、その表示画面を確認し、表示により指定されたエネルギー吸収体３３を照射装置３０内に配置する。
【００６７】
治療ベッド制御装置（図示せず）は、統括制御装置４１からの指示により、放射線技師が患者を固定している治療ベッドを移動し、ビーム軸の延長線上に患者の患部（照射対象）が位置するように位置決めする。
【００６８】
加速器制御装置４０は、統括制御装置４１からの治療計画情報から照射ビームエネルギーを決定し、シンクロトロン１３およびビーム輸送装置１４を構成する機器の運転制御パラメータを設定する。出射制御装置２０に対しては、出射ビームのエネルギーに対応して、出射用高周波信号の運転制御パラメータである中心周波数Ｆｃ、周波数幅Ｆｗ、振幅変調データＡｍ、フィードバックゲインＧｆｂを設定する。
【００６９】
医師は、前述の制御室内の操作盤から照射開始信号を統括制御装置４１に指示する。照射開始指示に基づき、前段加速器１２は、イオン源より発生したイオンビーム（例えば、陽子（または炭素イオンなどの重粒子））を加速し、シンクロトロン１３に供給する。
【００７０】
シンクロトロン１３は、前段加速器から入射したイオンビーム１０ａを所望のエネルギーまでシンクロトロン１３内を周回させながら加速する。イオンビーム１０ｂは、目標のビームエネルギーまで加速された後、タイミングシステム５０から出力される蓄積ビーム電荷量確認信号５０１に基づき、蓄積ビーム電荷量検出手段１５にて蓄積ビーム電荷量（Ｑｍｅａｓ）を計測する。この蓄積ビーム電荷量（Ｑｍｅａｓ）に基づき、目標ビーム電流補正演算部２９にて出射ビーム電流フィードバック制御回路２４の目標ビーム電流値（Ｉｆｂ）を設定する。その後、タイミングシステム５０から出力されるビーム出射制御信号５０２により、出射用高周波電極１６に出射用高周波信号が印加されることによって、目標ビーム電流値（Ｉｆｂ）に基づいて制御されたビームがシンクロトロン１３から出射される。
【００７１】
なお、本実施例では、蓄積ビーム電荷量の検出は、最初の一単位の照射に対応した蓄積ビーム電荷量の検出をタイミングシステム５０から出力される蓄積ビーム電荷量確認信号５０１に基づき検出し、次の単位以降の蓄積ビーム電荷量確認信号５０１は、タイミングシステム５０から入力されたビーム出射制御信号５０２の入力を起点として一単位の走査時間（Ｔｓｃａｎ）と照射停止時間（Ｔｏｆｆ）に基づき、出射制御装置２０で演算された信号に基づき検出しているが、照射制御装置４４等の出射制御装置２０の外部に全ての照射面に対応した蓄積ビーム電荷量確認信号５０１を発生する装置を設けても効果は変わらない。
【００７２】
また、本実施例でのビーム出射制御は、タイミングシステム５０からのビーム出射制御信号５０２を出射制御装置２０に入力し、一単位の照射が終了毎に目標ビーム電流補正演算部２９からビーム出射制御信号２５２に基づき高周波スイッチ２５を開くことで、一単位の照射間での照射停止時間（Ｔｏｆｆ）中にシンクロトロン１３から照射装置３０へビームの供給を停止している。
【００７３】
シンクロトロン１３から出射されたイオンビーム１０ｃは、ビーム輸送装置１４を通過して、照射装置３０に到着する。さらに、照射装置３０内のビーム経路に沿ってイオンビーム１０ｄは進行し、走査電磁石３２でイオンビーム１０ｄが走査され、エネルギー吸収体３３でＳＯＢＰを形成し、患者の患部に照射される。
【００７４】
患部に照射されるイオンビームの線量は線量モニタ３１で計測する。線量モニタ３１での検出信号３１１を出射ビーム電流フィードバック制御回路２４に入力し、目標ビーム電流値（Ｉｆｂ）と線量モニタ３１での検出ビーム電流値（Ｉｄｏｓｅ）の偏差に基づく高周波電圧の振幅制御値をフィードバック補正により、出射ビーム電流を一定値に制御する。
【００７５】
患部への一単位の照射が完了すると、ビーム出射制御を停止し、走査電磁石の励磁量を照射開始位置に復帰し、累積照射電荷量（Ｑｓｕｍ）を記録する。その後、蓄積ビーム電荷量を計測する。計測結果により目標ビーム電流値を補正し、再び一単位の照射を開始する。これらの制御を繰り返し、累積照射電荷量（Ｑｓｕｍ）が総照射電荷量（Ｑｔａｒｇｅｔ）に到達するまでビームを照射する。
【００７６】
なお、粒子線照射システム１を構成する機器において、照射制御中に患者へのビーム照射を妨げる何らかの障害が生じた場合、インターロックシステム６０は、機器の状態が異常であることを示す信号（異常信号）６０１を統括制御装置４１と並列に出射用制御装置２０のインターロック用高周波スイッチ２６に出力する。出射用制御装置２０は、インターロックシステム６０からの異常信号６０１をビーム出射停止指令として受信し、インターロック用高周波スイッチ２６を即座に開く。インターロック用高周波スイッチ２６が開かれることによって、高周波電極１６への出射用高周波信号の印加が停止される。これにより、シンクロトロン１３はイオンビーム１０ｂの出射を停止するインターロック制御を実現できる。
【００７７】
本実施例によれば、以下に示す効果を得ることができる。
【００７８】
（１）本実施の形態では、照射領域内を照射開始位置から終了位置までを一単位の走査範囲とし、この一単位の走査範囲を照射単位として管理している。そして、この一単位の照射範囲へのビーム照射を開始する前に、逐次、シンクロトロン１３内の蓄積ビーム電荷量（Ｑｍｅａｓ）を計測し、一単位の照射に必要な電荷量（Ｑｓｃａｎ）に対する蓄積ビーム電荷量（Ｑｍｅａｓ）に応じて、目標ビーム電流補正演算部２９で出射ビーム電流フィードバック制御回路２４の目標ビーム電流値を補正することで、シンクロトロン１３から出射するビーム電流値を制御している。これにより、一単位を照射中にシンクロトロン１３内の蓄積ビーム電荷量の枯渇が生じることを抑制できる。
【００７９】
（２）本実施の形態では、先に示した通り、一面を照射する前に逐次、シンクロトロン１３内の蓄積ビーム電荷量を計測し、計測結果に基づいて出射ビーム電流フィードバック制御の目標ビーム電流値を補正するため、一面を照射中の枯渇は生じない。そのため、従来のように、途中で蓄積ビーム電荷量が枯渇した際の線量一様度の悪化を考慮して、出射ビーム電流フィードバック制御の目標ビーム電流値を低くする必要がなくなる。これにより、一面を照射する際の出射ビーム電流フィードバック制御の目標ビーム電流値を高めることが可能となり、線量率を向上することができ、しいては治療時間を短縮できる。
【００８０】
（３）本実施の形態では、蓄積ビーム電荷量７０の枯渇を逐次監視する必要はなく、蓄積ビーム電荷量７０の枯渇に伴うビーム出射制御とビーム走査制御の停止処理が不要となるため、粒子線照射システムを構成する制御装置の構成および制御方法を簡素にすることができる。一面を照射中にシンクロトロン１３内の蓄積ビーム電荷量７０が枯渇したかどうかを逐次監視するシステムでは、ビーム１０ｂが枯渇した場合、ビーム１０ｂの出射制御の停止とともに、走査電磁石３２でのビーム走査制御を停止する。その後、シンクロトロン１３で再度ビームを入射・加速した後、引き続きシンクロトロン１３からのビーム出射制御と、走査電磁石３２でのビーム走査制御を開始する必要がある。
【実施例２】
【００８１】
本発明の第２実施例を示す。本実施例の機器構成は第１実施例と同一であるが、目標ビーム電流補正演算部２９での目標ビーム電流値（Ｉｆｂ）の補正方法が異なる。
【００８２】
ビームの照射制御フローについて、図９を用いて説明する。図６との違いは、比較電荷量（Ｑｃｏｍｐ）に基づく目標ビーム電流値（Ｉｆｂ）の補正制御（図６の８１８〜８２０）の代わりに、繰り上げ照射電荷量（Ｑｃａｒｒｙ）に基づく目標ビーム電流値（Ｉｆｂ）の繰り上げ補正制御（図９の８２５〜８２８）を設けたことにある。
【００８３】
第１実施例の場合、シンクロトロンの出射制御時間（Ｔｅｘｔ）の経過に伴い、蓄積ビーム電荷量（Ｑｍｅａｓ）は減少していく。そして、出射制御時間（Ｔｅｘｔ）の後半になると、一単位の照射に必要な電荷量（Ｑｓｃａｎ）に対して、蓄積ビーム電荷量（Ｑｍｅａｓ）が非常に少ない場合が生じることが考えられる。これは、照射制御が進んで残照射電荷量（Ｑｒｅｓｔ）が少なくなった場合にも同様に、わずかな電荷量だけ照射する必要性が生じてしまう。そのため、蓄積ビーム電荷量（Ｑｍｅａｓ）を有効に利用するために、もしくは、総照射電荷量（Ｑｔａｒｇｅｔ）を満足するために、一単位の照射制御を実施する必要が生じる。
【００８４】
このような処理は、加速制御終了後のシンクロトロン１３に蓄積されているビーム電荷量（Ｑｍｅａｓ）が一単位の照射に必要な電荷量（Ｑｓｃａｎ）の整数倍にならない場合には、シンクロトロンの運転周期の度に生じてしまう。
【００８５】
そこで、本実施例では、比較電荷量（Ｑｃｏｍｐ）を設定した後（図９の８１５〜８１７の制御フロー）、（式６）に示す繰り上げ照射電荷量（Ｑｃａｒｒｙ）を算出する（８２５）。
【００８６】
【数６】
0005816518.tif 000007
【００８７】
（式６）に示した繰り上げ照射電荷量（Ｑｃａｒｒｙ）は、比較電荷量（Ｑｃｏｍｐ）から一単位の照射に必要な電荷量（Ｑｓｃａｎ）を差し引いたものである。この繰り上げ照射電荷量（Ｑｃａｒｒｙ）と一単位の照射に必要な電荷量（Ｑｓｃａｎ）とを比較する（８２６）。
【００８８】
繰り上げ照射電荷量（Ｑｃａｒｒｙ）が一単位の照射に必要な電荷量（Ｑｓｃａｎ）よりも少ない場合（Ｑｃａｒｒｙ≦Ｑｓｃａｎ）は、目標電流値の繰り上げ補正は実施せず（８２７）、繰り上げ照射電荷量（Ｑｃａｒｒｙ）が一単位の照射に必要な電荷量（Ｑｓｃａｎ）よりも多い場合（Ｑｃａｒｒｙ＞Ｑｓｃａｎ）は、（式７）に示した目標電流値の繰り上げ補正を実施する（８２８）。
【００８９】
【数７】
0005816518.tif 000008
【００９０】
繰り上げ照射電荷量（Ｑｃａｒｒｙ）は、実施例１では目標電流値の補正の判定に使用していた比較電荷量（Ｑｃｏｍｐ）からさらに一単位の照射に必要な電荷量（Ｑｓｃａｎ）を差し引いたものとなっている。つまり、二回にわたって一単位の照射に必要な電荷量（Ｑｓｃａｎ）を差し引くことで、蓄積ビーム電荷量（Ｑｍｅａｓ）が一単位の照射に必要な電荷量（Ｑｓｃａｎ）に対して二回分に満たない場合、蓄積ビーム電荷量（Ｑｍｅａｓ）を一回の照射に繰り上げて照射することで、照射時間の短縮を実現できる。
【００９１】
上記は一単位の照射に必要な電荷量（Ｑｓｃａｎ）を２倍したものと比較電荷量（Ｑｃｏｍｐ）とを比較しているとも表現できる。比較電荷量（Ｑｃｏｍｐ）が一単位の照射に必要な電荷量（Ｑｓｃａｎ）の２倍よりも少ない場合に、目標ビーム電流値（Ｉｆｂ）を一単位の照射に必要なビーム電流値（Ｉｓｃａｎ）よりも大きくなるように補正することで、繰り上げ照射により照射時間を短縮できる。具体的には（式７）で示すように、目標ビーム電流値（Ｉｆｂ）は、蓄積ビーム電荷量（Ｑｍｅａｓ）を一単位の照射に必要な走査時間（Ｔｓｃａｎ）で除算したものとしている。
【００９２】
このように、補正の要否の判断基準として、比較電荷量（Ｑｃｏｍｐ）と一単位の照射に必要な電荷量（Ｑｓｃａｎ）との比較値を利用することで、蓄積ビーム電荷量（Ｑｍｅａｓ）に応じた適切な制御が可能となる。すなわち実施例１のように比較電荷量（Ｑｃｏｍｐ）が一単位の照射に必要な電荷量（Ｑｓｃａｎ）より少ない場合には、一面照射中のビーム枯渇を回避しつつビーム効率を高いものとする制御ができる。また実施例２で示すように、比較電荷量（Ｑｃｏｍｐ）が一単位の照射に必要な電荷量（Ｑｓｃａｎ）と比べて適度に高い場合には、繰り上げ照射により照射時間を短縮できる。実施例１の判断基準と実施例２の判断基準とを組み合わせた判断基準を採用することも可能である。この場合両者のメリットを享受できる。
【００９３】
なお実施例２では、一単位の照射に必要な電荷量（Ｑｓｃａｎ）を２倍したものと比較電荷量（Ｑｃｏｍｐ）とを比較しているが、２倍でなくとも１倍より大きければ同様の効果が得られる。何倍にするかは、一単位の照射でどの程度多量の電荷量を照射できるかで決定できる。出射制御期間の後半でシンクロトロン内の蓄積ビーム電荷量が一単位の照射に必要な電荷量よりも若干多い場合に、照射電荷量繰り上げ手段により一回でビーム照射を完了すれば、二回に分けてビームを照射するのに比べて所定の線量の照射に必要な時間を短縮し治療時間を短くすることができる。
【００９４】
ビーム照射時の制御フローによるビーム照射制御時の目標ビーム電流値とそれに伴う蓄積ビーム電荷量の時間変化について、図１０を用いて説明する。説明を分かりやすくするため、図１０の加速制御終了後の蓄積ビーム電荷量（Ｑｍｅａｓ１）と一単位の照射に必要な電荷量（Ｑｓｃａｎ）は、図７と同一である。
【００９５】
図１０では、蓄積ビーム電荷量の１回目から３回目の計測（Ｑｍｅａｓ１〜Ｑｍｅａｓ３）では、繰り上げ照射は実施しないが、４回目の計測（Ｑｍｅａｓ４）の際、繰り上げ照射を実施することで、図７で２回に分けて照射していた電荷量を１回に繰り上げて照射している。よって、図７と比較して、４回目の照射の目標ビーム電流値（Ｉｆｂ）は、一単位の照射での基準ビーム電流値（Ｉｓｃａｎ）よりも高くなっており、５回目の照射制御は実施せず、減速制御に移行することで、一単位の走査時間（Ｔｓｃａｎ）と一単位の照射間での照射停止時間（Ｔｏｆｆ）の分だけ、照射時間を短縮できる。
【００９６】
本実施例によれば、加速制御終了後の蓄積ビーム電荷量（Ｑｍｅａｓ）が一単位の照射に必要な電荷量（Ｑｓｃａｎ）の整数倍とならない場合に生ずる、一単位の照射に必要な電荷量（Ｑｓｃａｎ）よりも少ない蓄積ビーム電荷量を繰り上げ照射することにより、照射時間の短縮を実現できる。このような繰り上げ処理は、シンクロトロンの運転周期の度に生じるため、照射時間の短縮効果は大きく、更なる治療時間の短縮が実現できる。
【００９７】
これにより、出射制御期間の後半でシンクロトロン内の蓄積ビーム電荷量が一単位の照射に必要な電荷量よりも若干多い場合、二回に分けてビームを照射していたところを、照射電荷量繰り上げ手段により、一回でビーム照射を完了することができるため、所定の線量の照射に必要な時間を短縮し、治療時間を短くすることができる。
【００９８】
以上説明した各実施例の粒子線照射システムでは、照射制御装置４４が一単位の照射に必要なビーム電流値（Ｉｓｃａｎ）を算出し、蓄積ビーム電荷量計測手段が前記シンクロトロン内の蓄積ビーム電荷量（Ｑｍｅａｓ）を計測し、目標電流設定手段が、蓄積ビーム電荷量（Ｑｍｅａｓ）に基づき一単位の照射に必要なビーム電流値（Ｉｓｃａｎ）を補正することでシンクロトロン１３から出射する目標ビーム電流値（Ｉｆｂ）を設定し、出射ビーム電流補正制御手段を有する出射用制御装置２０が、目標ビーム電流値（Ｉｆｂ）に基づきビーム電流を制御することで、荷電粒子ビームを補正している。このように荷電粒子ビームを補正することで、照射線量一様度を低下させずにビーム利用効率を高めることのできる粒子線照射システムを実現できる。
【符号の説明】
【００９９】
１  粒子線照射システム
１０ａ、１０ｂ、１０ｃ、１０ｄ  ビーム
１１  イオンビーム発生装置
１２  前段加速器
１３  シンクロトロン
１４  ビーム輸送装置
１５  蓄積ビーム電荷量検出手段
１６  高周波電極
１７  高周波電力増幅器
１８  偏向電磁石
２０  出射用制御装置
２１  出射用の高周波発振器（高周波発振器）
２２  帯域制限高周波信号発生部
２３  振幅変調器
２４  ビーム電流フィードバック制御回路
２５、２６  高周波スイッチ
２７  出射用高周波信号処理部
２９  目標ビーム電流補正演算部
３０  照射装置
３１  線量モニタ
３２  走査電磁石
３３  エネルギー吸収体
３４  コリメータ
３５  ボーラス
３６  患者
３７  患部形状
３８  ビーム走査経路
４０  加速器制御装置
４１  統括制御装置
４２  記憶装置
４３  治療計画装置
４４  照射制御装置
５０  タイミングシステム
６０  インターロックシステム
２２１  高周波ミキサ
２４１、２４２  フィードバックループゲイン調整器
２４３  加算演算回路
２５２  ビーム出射制御信号
３１１  線量モニタ検出信号
５０１  蓄積ビーム電荷量確認信号
５０２  ビーム出射制御信号
Ｑｔａｒｇｅｔ  総照射電荷量
Ｑｓｃａｎ  一単位の照射に必要な電荷量
Ｑｒｅｓｔ  残照射電荷量
Ｑｓｕｍ  累積照射電荷量
Ｑｍｅａｓ  蓄積ビーム電荷量
Ｑｃｏｍｐ  比較電荷量
Ｑｃａｒｒｙ  繰り上げ照射電荷量
Ｑｅｘｔ  シンクロトロンからの出射ビーム電荷量
Ｔｅｘｔ  出射制御時間
Ｔｓｃａｎ  一単位の走査時間
Ｔｏｆｆ  一単位の照射間での照射停止時間
Ｎｒ  リペイント回数
Ｎｓｃａｎ  出射制御時間内での一単位の照射回数
Ｉｓｃａｎ  一単位の照射での基準ビーム電流値
Ｉｆｂ  目標ビーム電流値
Ｉｄｏｓｅ  ビーム電流値
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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